JP5157411B2 - 圧電薄膜素子 - Google Patents
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Description
現在、様々な非鉛圧電材料が研究されているが、その中にニオブ酸カリウムナトリウム(一般式:(KxNa1−x)NbO3(0<x<1))がある。ニオブ酸カリウムナトリウムは、ペロブスカイト構造を有する材料であり、非鉛の材料としては比較的良好な圧電特性を示すため、非鉛圧電材料の有力な候補として期待されている。ニオブ酸カリウムナトリウム焼結体は、(KxNa1−x)NbO3において組成比x=0.5付近で優れた圧電特性を有する。
この結果を踏まえて、本発明は、ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜の比誘電率が50から200の範囲になるように形成することで、優れた圧電特性を持つニオブ酸カリウムナトリウム薄膜を実現することを主旨とする。
本発明者らの検討結果によれば、一般的なスパッタリング法でニオブ酸カリウムナトリウム薄膜を形成する場合は、50〜200の比誘電率を有するニオブ酸カリウムナトリウム薄膜は、例えば、薄膜中の(001)面方位、(100)面方位、若しくは(010)面方位のいずれか1種以上の面方位の配向割合を高めることによって得られる。
また、ニオブ酸カリウムナトリウムの圧電薄膜4に少量の添加物(例えば、原子数濃度8%以下のLi)を混入してもよい。この場合も、圧電特性の向上が期待できる。
なお、本発明者らはRFマグネトロンスパッタリング法を用い、スパッタリング成膜条件を変更してニオブ酸カリウムナトリウム薄膜を種々形成したが、比誘電率が50以下のニオブ酸カリウムナトリウム薄膜を成膜することができなかった。
また、基板上に圧電薄膜が形成された圧電薄膜素子の圧電定数を求めるためには、従来は、後述するように圧電薄膜素子に電圧を印加したときの圧電変位量を測定しなければならなかった。ところが、本発明によれば、ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜を用いた圧電薄膜素子に対し、LCRメータ等を使用して静電容量を測定するだけで、比誘電率を簡単に算出できるため、比誘電率が50〜200にある優れた圧電特性を有する圧電薄膜素子を選別する選別方法としても有用である。
また、KNbO3薄膜3の膜厚は、0.1μm程度以下とするのがよい。但し、KNbO3薄膜3は、圧電薄膜4の[001]方向の配向割合を高めるための膜であるので、その機能が十分に発揮される程度の膜厚は必要である。
また、(KxNa1−x)NbO3の圧電薄膜4は、優れた圧電特性を得るために、組成x=0.5付近とするのがよく、更に、圧電薄膜4の組成xは、膜厚方向の組成xの最大値と最小値の差を0.05以下にするなど、組成xの均一化を図るのが好ましい。
アクチュエータは、インクジェットプリンタ、スキャナー、超音波発生装置などに用いられる。また、センサは、ジャイロ、超音波センサ、圧カセンサ、速度・加速度センサなどに用いられる。
また、上記実施形態では、ニオブ酸カリウムナトリウム薄膜を圧電薄膜として応用する場合について説明したが、その他にも、様々な用途への応用、例えば、焦電素子や表面弾性波デバイスヘの応用が考えられる。
本実施例においては、図1に示す上記実施形態と同一構造の圧電薄膜素子を作製した。
基板1にはSi基板((001)面方位、厚さ0.5mm)を用い、Si基板上にRFマグネトロンスパッタリング法により、白金の下部電極2((111)面単独配向、膜厚0.2μm)を形成した。白金の下部電極2は、基板温度350℃、放電パワー200W、導入ガスAr、圧力2.5Pa、成膜時間10分の条件で成膜した。
次に、下部電極2の上に、KNbO3薄膜3(膜厚0.1μm)をRFマグネトロンスパッタリング法で形成した。KNbO3薄膜3は、ターゲットにKNbO3焼結体を用い、基板温度650℃、放電パワー100W、導入ガスAr、圧力0.4Pa、成膜時間10分で成膜した。
更に、KNbO3薄膜3の上に、(K0.5Na0.5)NbO3の圧電薄膜4(膜厚2.9μm)をRFマグネトロンスパッタリング法で形成した。(K0.5Na0.5)NbO3の圧電薄膜4は、ターゲットに組成比が(K+Na)/Nb=1.0およびK/(K+Na)=0.5の(K0.5Na0.5)NbO3焼結体を用い、基板温度650℃、放電パワー100W、導入ガスAr、圧力0.4Pa、成膜時間3時間50分で成膜した。
最後に、(K0.5Na0.5)NbO3の圧電薄膜4の上に、RFマグネトロンスパッタリング法により、白金の上部電極(膜厚0.02μm)5を形成した。白金の上部電極5は、基板温度350℃、放電パワー200W、導入ガスAr、圧力2.5Pa、成膜時間1分で成膜した。
また、比較例として、図2に示す断面構造の圧電薄膜素子を作製した。
比較例では、実施例におけるKNbO3薄膜3を形成せず、また、(K0.5Na0.5)NbO3の圧電薄膜6の膜厚を3.0μm(成膜時間4時間)とした点を除き、実施例と全く同様にして図2に示す圧電薄膜素子を作製した。
図1の実施例及び図2の比較例に示す圧電薄膜素子(用基板)から、長さ20mm×幅2.5mmの短冊形の試料10をそれぞれ切り出した。作製した試料10に、LCRメーターを使って静電容量を測定(周波数1kHz)し、試料10の電極面積と圧電薄膜の厚さを考慮して、実施例及び比較例の圧電薄膜素子の比誘電率を算出した。実施例における圧電薄膜4の比誘電率は180、比較例における圧電薄膜6の比誘電率は400であった。
図3(a)に示すように、上記試料10の一端をクランプ20に固定し、簡易的なユニモルフカンチレバーを構成した。クランプ20は除震台21上に設置し、震動を除去した。この状態で上部電極1と下部電極5との間に電圧を印加し、圧電薄膜3及び4、圧電薄膜6を伸縮させることで、試料10全体を屈曲動作させ、試料10先端を上下に動作させた。図3(b)には、試料10全体が屈曲し、試料10の先端が上方向に変位した状態を示す。上下動する試料10の先端変位量Δはレーザードップラ変位計22で測定した。
図4には、実施例及び比較例における印加電圧と先端最大変位量との関係を示す。図4より、比較例の圧電薄膜素子に対して、実施例の圧電薄膜素子では、圧電による試料10の先端最大変位量が約3倍になっていることが分かる。
これに対して、図7に示す比較例の圧電薄膜素子においては、NKKの回折ピークが観察された結晶面は、KNNの(001)面方位、(100)面方位、若しくは(010)面方位のいずれか1種以上の面方位と、KNNの(002)面方位、(200)面方位、若しくは(020)面方位のいずれか1種以上の面方位と、NKKの(110)面方位、(101)面方位、若しくは(011)面方位のいずれか1種以上の面方位とがあり、比較例の(KxNa1−x)NbO3圧電薄膜は、(001)面方位、(100)面方位、若しくは(010)面方位のいずれか1種以上の面方位の配向度が実施例に比べて低いことが分かった。
ここでのKNN結晶(圧電薄膜)の面方位は、X線回折測定(2θ‐ω)での回折パターンにおいて、
2θ=22.011°〜22.890°の回折ピークは、(001)面、(100)面または(010)面とし、
2θ=31.260°〜32.484°の回折ピークは、(110)面、(101)面または(011)面とし、
2θ=44.879°〜46.788°の回折ピークは、(002)面、(200)面または(020)面としている。
回折ピーク角度が上記のように範囲を有するのは、下記2つの理由による。
一つは、基板1とKNN結晶(圧電薄膜)の熱膨張差によって生ずる内部応力の影響や下地(下部電極2)の影響でKNN結晶格子が歪むためである。
もう一つは、Na/(K+Na)組成比によって結晶格子サイズが変化するためである。
2 下部電極
3 KNbO3薄膜
4 圧電薄膜
5 上部電極
6 圧電薄膜
10 試料
20 クランプ
21 除震台
22 レーザードップラ変位計
Claims (3)
- 基板上に、下部電極と、膜厚が0.2μm以上10μm以下であり、一般式(KxNa1-x)NbO3(0<x<1)で表されるペロブスカイト構造の圧電薄膜と、上部電極とを有する圧電薄膜素子において、前記下部電極と前記圧電薄膜との間に、KNbO 3 薄膜が形成されているとともに、前記圧電薄膜の比誘電率が、50以上200以下の範囲にあることを特徴とする圧電薄膜素子。
- 前記基板がSi基板またはMgO基板であり、前記下部電極がPt電極であることを特徴とする請求項1に記載の圧電薄膜素子。
- 前記下部電極、前記圧電薄膜、及び前記KNbO3薄膜がRFマグネトロンスパッタリング法により形成されていること特徴とする請求項1または2に記載の圧電薄膜素子。
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